直升機的設計發展是一個極復雜而又漫長的過程，需要多種工程和制造學科之間相互協調。直升機整個生命周期業務與協作過程中各個研制階段都是相互影響的，但現有技術和管理方法存在關系粗放、效率低下、風險較大等問題。隨著直升機系統及產品研制過程的復雜度不斷上升，復雜產品全生命周期管理與集成技術已成為企業面向產品及系統正向研制的一個重要應用研究問題，也是企業信息化重要的組成部分。
產品全生命周期管理技術在以往理論和實踐中都側重于產品數據管理的文件管理和設計協同等方面的研究。隨著系統工程理論相關流程和方法的引入，產品全生命周期管理的復雜度、內涵和外延正在發生變化，以文件為中心的產品數據管理模式遠不能滿足直升機行業越來越復雜的產品實現過程，系統工程正在成為產品全生命周期管理（Product Lifecycle Management,PLM）的理論核心，基于模型的系統工程（Model Based System Engineering, MBSE）是PLM 的發展趨勢。
直升機產品全生命周期管理
1 論證與需求體系結構
直升機研制是一項復雜的系統工程，各項工作、各個專業的工作關聯性非常密切和復雜，因此在研制流程體系中要準確表達各項工作之間、各個專業之間的關聯關系，使工作流程、管理流程清晰受控。整個研制流程體系應全面描述直升機產品全生命周期中各階段各專業的工作內容，甚至要描述各項工作具體的輸出成果，確定所需編制的需求文件、技術文件、更改文件和圖樣文件，因此直升機產品研制流程應突出產品全生命周期管理。
DoDAF 描述了體系結構的3 個視圖：作戰體系結構視圖、系統體系結構視圖和技術體系結構視圖。在直升機需求論證階段，基于系統設計標準和系統建模語言（SysML），以面向對象的方法，在需求分析的基礎上，設計作戰概念并做出各視圖層面的用例模型，體系結構設計方法根據系統執行功能和活動需要，不斷分解得到系統、分系統及子系統層次的結構圖，實現系統模型驅動的論證與需求體系結構。
2 數字化環境下的直升機產品研制
系統工程要考慮產品生命周期內遇到的全部問題，是一個跨學科的協同工作方法。并行工程也強調綜合設計和協同工作，使用系統工程的方法進行多學科協同設計已逐漸成為工程領域及制造類企業解決已有問題的一種有效思路，根據業務數據和信息模型的轉換，根據集成業務數據的轉換進行集成。
數字化技術在直升機產品全生命周期研制流程中各階段發揮了重大作用。以航空制造業的MBD 技術應用為例，基于MBD 技術實現三維模型表達產品的設計制造信息，保證產品全生命周期中產品數據的完整性。協同化、集成化、虛擬化、智能化是未來直升機數字化研制的發展趨勢，在直升機系統生命周期的項目流程和技術流程中，信息技術應用在包括立項論證、概念設計、詳細設計、試驗試飛、工藝裝配、生產制造、交付使用、保障維護、退出回收等全過程內，通過UPDM、CAD、CAE、CAM 等工具軟件以及需求管理系統、PDM、SDM、TDM、CAPP、MES、ERP、PAC、SCM、CRM等數字化應用系統對工程研制過程進行管控，構建了以任務和需求定義、邏輯和功能集成、功能和邏輯架構設計為核心的覆蓋產品全生命周期的MBSE 過程，從運行概念到需求到設計到生產，降低直升機型號研制風險，提高直升機產品質量且滿足產品研制各節點的要求。
元模型建模技術
元模型是用于描述模型的模型，是關于模型基本概念、基本關系、基本約束的語義。元模型（Meta-Model）包括類、屬性、關聯、操作以及約束等，它體現了產品信息的基本語義關系。傳統信息分析與表達方式無法支持產品全生命周期中信息的管理和集成需要，企業需要統一模型、應用集成、全面協同的產品全生命周期元模型，即在基于模型的系統工程理論基礎上，建立可重構、可擴展、高度集成的關聯信息模型，實現覆蓋直升機系統工程各流程活動（包含項目流程和技術流程）語義級的互操作。
對于系統建模語言而言，OMG 組織陸續提出了UML 語言和SysML 語言，支持了基于模型的系統工程理論在實際工程中的應用。元模型技術是企業建模實施的有效方法，它具有豐富的模型分析和設計功能，通過擴展可滿足不同領域的建模需要。作為一種抽象模型，元模型不局限于具體某一領域，被不同的目標模型所共享，可表達領域模型，也可表達三維實體模型的結構信息模型、仿真信息模型、性能信息模型、管理信息模型等。OMG 標準中描述了4 個建模層次，分別是信息層（Information Layer）、模型層（Model Layer）、元模型層（Meta-Model Layer）、元- 元模型層（Meta-Meta-Model Layer），這些建模層次由不同實例構成，定義了對應不同抽象層面的業務對象或數據對象的描述元素。
產品全生命周期信息元模型分析與表達
1 產品全生命周期的信息模型
產品的信息模型是對產品的形狀、功能、技術、制造和管理等信息的抽象理解和表示。在并行工程中，統一的產品信息表達和交換式是并行設計的基礎。產品全生命周期的信息模型是對產品全生命周期研制過程中的信息進行形式化的描述，定義除了包含幾何形狀及拓撲信息、非幾何信息等設計制造信息之外，還包括描述產品功能、邏輯、機電液壓、仿真、結構、技術規范等更高層次的總體信息等。直升機全生命周期信息模型包括：客戶需求模型、需求與論證模型、產品概念模型、產品功能模型、產品仿真模型、產品設計模型、產品試驗模型、產品制造模型、產品工藝裝配模型、產品驗證模型、產品交付與確認模型、產品采購模型、產品運行模型、產品維護模型以及產品退役模型等，圖1為按系統工程定義的產品全生命周期各階段模型化的過程。
圖1 系統工程定義下的直升機全生命周期信息模型
統一產品模型連接產品不同生命周期階段的數據、過程等企業資源，由于SysML、AADL、Modeica、ReF、OSC、SPICE等信息建模、數據建模、系統建模、系統仿真標準語言的出現，系統工程定義下的信息模型正逐步取代文檔成為直升機研制溝通的主要手段，建立功能、邏輯模型后仿真再驗證，模型本身成為過程管理的對象，進而實現全生命周期所管理的各專業領域模型的一致性、可追蹤性、可驗證性和關聯性。
BOM是研究產品數字化數據的產生、加工、拓延、控制和管理的重要組成部分。BOM中記錄了用來描述產品研制信息及研制流程之間的轉化關系，不同BOM 記錄的不盡一致，但是它們都體現了產品全生命周期各階段信息模型的重要特征，而這些特征都是關聯的，如圖2所示，制造BOM 產品結構中零部件對象與工程BOM（EBOM）相對應，由于裝配關系描述不統一，需要根據EBOM 產品結構樹重構MBOM產品結構樹。實際上，EBOM到MBOM 重構的過程中，產品設計模型與制造模型發生關聯，設計制造的業務流程也發生了重構。同理，需求BOM（RBOM）、仿真BOM、試驗BOM、工藝BOM（PBOM）、維護BOM（SBOM）與工程BOM 的相應對象具有一致性，基于BOM 重構的直升機產品全生命周期信息模型成為“基于模型”的研制范式能否從系統工程領域拓展到直升機產品全生命周期的重要轉變。
圖2 基于BOM重構的直升機產品全生命周期信息模型
2 產品全生命周期信息元模型的表達
為實現產品全生命周期中元數據級的信息集成，對產品全生命周期信息模型進行有效管理，需建立產品全生命周期信息元模型統一表達產品全生命周期信息模型，細化產品全生命周期各階段數據之間的語義關系，避免信息冗余且保持信息模型的一致性。為滿足產品全生命周期信息元模型的表達要求，用五元組表示產品全生命周期信息元模型（Product Lifecycle InformationMeta-Model, PLIMM），將PLIMM 描述為類別、實體、集合、視圖、關系這5 種元素, 其形式化定義如下所示：PLIMM={<Type><Entity><Version><Relationship><View>}。
定義1—— Type 為產品全生命周期信息元模型類別PType，產品全生命周期管理過程中不同數據信息按種類進行細分，以建模化的思想按照屬性、描述等信息差異，將隸屬于不同領域的信息模型以類別ID號（PtID）和類別名稱（Ptname）進行區別并歸納分類，例如文檔類模型可作為一個類別進行劃分，文檔集合中可按聚合形式不同再劃分出技術文檔、說明性文檔等子類別，同理圖樣文件模型作為另一個類別進行劃分及再劃分。
定義2—— Entity 為產品全生命周期信息元模型實體PEntity，五元組方式表達PEntity={<PeID><PtID><Pename><Pecomment><PeAttr>}，信息元模型中實體對象的確定是產品全生命周期信息元模型建立過程中最為關鍵且困難的一個步驟，一個實體可由若干屬性來描述，實體對象可被描述和實例化，且實例之間可進行區分與標識。
定義3—— Version 為產品全生命周期信息元模型版本狀態PVersion，信息元模型版本狀態PVersion={<PeID><PvID><PvStatus><PView><PVesionlist>}，PvID 為模型對象版本的版本號，PvStatus 標識信息模型的狀態，版本PView 用于標識模型的視圖信息，PVesionlist 用于維護模型對象的版本信息。
定義4—— Relationship 為產品全生命周期信息元模型關系PRelationship，元模型關系PRelationship 是兩個或多個實體之間的邏輯聯系，即包含兩種最基本的聯系：依存聯系和分類聯系。PRelationship={<PrID><Prname><PrType><PeID><PVersion>}。
定義5——View 為產品全生命周期信息元模型視圖PView，PView=f（PType，PEntity，PVersion，PRelationship），元模型視圖PView按照不同元模型表達目的的不同進行組合。
3 產品全生命周期信息元模型分析
采用層次分析法分析直升機產品全生命周期信息元模型，可將直升機產品全生命周期信息模型分為設計級、協同級、系統級這3 個層次。其中設計級是產品全生命周期信息元模型的最原始單元，包括產品需求論證、概要設計、仿真分析、詳細設計等直升機產品全生命周期過程在內，以一定組織形式形成產品仿真與設計數據的視圖管理；協同級在生命周期維度中增加了工藝制造、銷售交付、運行服務、退役回收等階段，按照系統工程及系統生命周期流程管理產品數據；系統級是協同級信息模型按照產品研制要求，在PLM 系統內完成數據信息的共享和傳遞。系統級層次模型是直升機產品生命周期維、SE 方法體系維和視圖結構維3 個維度信息所構成的空間信息結構。應用矩陣形式描述直升機產品全生命周期系統級信息結構，獲得矩陣A=〔L×V〕⊕ SE，式中：SE 為系統工程及系統全生命周期流程管理信息維中各種項目流程、技術流程等信息的集合，L 為全生命周期維，V 為組合視圖維，則系統級模型A 上任一點的結構信息a 描述為PLM 系統某階段內不同視圖結構信息的聚合。
產品全生命周期信息元模型采用形式化語言定義和描述數據元模型克服了傳統產品模型的不足，在產品協同研制的模型信息交互過程中，對傳統的產品模型進行了功能抽象及再抽象，形成元模型及模型的描述文件（如*.xml 等）。元模型信息（如文本、結構、電磁、流體等）結構化、非結構化的描述文件不需要參與需求分析、聯合仿真、協同設計、工藝制造等全生命周期過程中，支持對產品結構、功能和在特定環境下的行為描述。
直升機產品全生命周期管理技術與系統集成
關于全生命周期管理的OMG標準有AP203（針對通用機械設計的標準）、AP209（關于有限元分析的應用協議）、AP214（基于特征的面向汽車設計全過程的設計協議）、AP224（用于CAPP 支持特征的機械設計應用協議）、AP239（PLCS,構建產品生命周期支持系統的標準）、AP233（計算機可識別表達和系統工程數據交換的標準）、AP242（管理基于模型的三維工程）、PDMSchema以及PLM Services，這些標準都是基于全生命周期管理的產品數據對產品數據管理系統底層數據庫進行擴展的，主要管理不同生命周期階段產品數據的關系及其有效性。集成技術用于實現產品研制的全生命周期過程中所涉及的各類軟件工具的集成與封裝，并通過流程與方法實現軟件工具間的數據傳遞，支持不同軟件工具的模型抽取、腳本及參數驅動等功能。集成技術根據集成的松散耦合程度不同而不一樣：一類是基于API 接口和第三方工具（如Portal 等）完成系統集成，這類集成對結構化數據和信息處理較少，主要做數據查詢、信息處理、數據整理等產品數據信息發布對接的松散集成；另一類是基于OMG 標準的緊密集成，即基于標準模型實現多種CAx 協同和集成，利用中間件或中性文件（如XML 等）獲取處理相關信息。
直升機全生命周期管理通過不同信息應用系統之間的集成，從而實現直升機產品的全生命周期數據綜合集成和協同創新，這就要求在統一的直升機產品全生命周期管理業務邏輯結構下實現。按照系統工程V&V 流程和系統生命周期流程概覽（ISO/IEC 15288： 2008）內容要求，結合直升機系統與產品研制的特點，如圖3所示，直升機產品全生命周期管理集成架構（HelicopterLifecycle Integration Architecture，HLIA）是在通過對直升機研制過程中產生的信息和數據進行歸納，發現在基于模型的系統工程理論基礎上，不同工具、不同系統所產生的不同類型數據在直升機產品全生命周期管理過程中流轉規律。
圖3 直升機產品全生命周期管理集成架構
HLIA 在整個直升機復雜系統全生命周期管理過程中一般采用多層體系結構，即在元模型驅動下完成由直升機全生命周期管理業務邏輯結構向直升機產品全生命周期管理系統集成和數據集成的轉換。元模型驅動的直升機產品全生命周期管理集成架構以元模型為核心，整個集成平臺具備更好的開放性和集成性，DB Server 和File Server 為底層資源層，由PLM UI 完成信息的輸入和輸出。元模型支持以UML 和SysML 為建模語言，使用UML ModelTool 和SysML Model Tool 建立信息模型，以XML Builder、XML Mapper等實現信息模型的轉變，基于PLMXML、Multi-sites、JDBC 等方式提供PLM 系統內部級數據交換，通過XML、STEP、XLS、PLM Services、PDM Schema、PDM Enablers 等數據交換方式與直升機產品全生命周期過程中的其他應用系統（CAx、CRM、SRM、ERP、xDM 等）進行集成。
結束語
按系統工程方法定義下的直升機產品全生命周期的主要工作內容已發生包含平臺、架構、體系及過程等在內的質的變化。元模型驅動解決了直升機產品全生命周期數據單一源與系統集成性的問題，通過元模型的構建與轉換表達，形成了直升機產品全生命周期管理業務邏輯和集成技術架構，結合相應數據交換標準總結了直升機產品全生命周期的系統集成技術。目前，隨著系統工程理論和計算機信息系統有關工具的不斷發展，基于元模型構建的直升機產品全生命周期管理和集成技術也將隨之日趨成熟和完善。
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